具有壁厚可变的管状分离件的电断路开关元件
阅读说明：本技术 具有壁厚可变的管状分离件的电断路开关元件 (Circuit breaker element with a tubular separating element having a variable wall thickness ) 是由 P·莱尔 于 2020-02-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及具有壁厚可变的管状分离件的电断路开关元件,尤其是用于断开高电压下大电流的电断路开关元件,其具有包围限定经过断路开关元件的电流路径的接触单元的壳体,其中接触单元具有第一和第二连接触点以及断开区,其中接触单元被设计成使得它能经由第一连接触点被供应电流并能经由第二连接触点从其输出电流,或反之,其中断开区被设计成管状件,其轴向延伸方向沿着轴线X延伸,其中该管状件沿着垂直于轴线X的平面能被分为两个部分,由此第一与第二连接触点之间的电流被中断,其中该管状件沿轴线X的延伸方向具有两个对置的端部区域,其特征是,该管状件在两个端部区域之间的一区域内具有最小壁厚,该最小壁厚分别朝向所述端部区域增大。(The invention relates to a circuit breaker element with a tubular separating part having a variable wall thickness, in particular for breaking large currents at high voltages, having a housing which encloses a contact unit which defines a current path through the circuit breaker element, wherein the contact unit has a first and a second connecting contact and a breaking region, wherein the contact unit is designed such that it can be supplied with current via the first connecting contact and can be supplied with current via the second connecting contact, or vice versa, wherein the breaking region is designed as a tubular element whose axial extension extends along an axis X, wherein the tubular element can be divided into two parts along a plane perpendicular to the axis X, as a result of which the current between the first and the second connecting contact is interrupted, wherein the tubular element has two opposite end regions in the direction of extension of the axis X, characterized in that the tubular element has a minimum wall thickness in a region between the two end regions, the minimum wall thickness increases towards the end regions, respectively.)
技术领域
本发明涉及一种尤其用于断开高电压下的大电流的电断路开关元件。
背景技术
这样的断路开关元件例如被用在发电厂技术和KFZ技术中，比如在机器和设备的开关柜的常见的机器结构和电气结构中，以及在电动车和混动车内的电动领域内，但也可以在电动直升机和飞行器中在紧急情况下被用来按规定快速断开强电流电路。对这种开关元件的要求在于，不会由此出现热气、颗粒、丁块或等离子体。另外，这种开关元件应该在断开之后保证绝缘电阻。
其它的应用领域是针对相关组件中的短路情况组件与车载电网电气隔断，例如在立式电热装置或电制动器中，以及锂电池的紧急关断，就像它们迄今用在电动车和混动车以及飞行器中那样。电池在结构体积小的情况下具有在极小内电阻下的高达1200V的端电压。这两者导致了达到5000A的可能短路电流，有时甚至瞬时达到30kA，但此时不会导致电源电压击穿，这可能导致电池在几秒钟后着火或爆炸。本文所提出的断路开关元件很好地也适用于在紧急情况下紧急关断单独的太阳能电池模块或整个太阳能电池场，因为它可被设计成可控制或可遥控。
所有在此说明的应用状况一般都是直流电流关断，它不同于交流电流，不具有过零。通常，在断路开关元件中仅加载有工作电压。但在断路开关元件中直流电路断路的时刻，外电流电路的磁场崩溃造成电压显著升高，使得通常在断路开关元件的分离两端之间出现电弧。为了产生电弧，一般需要相对高的电压。但低得多的电压也足以用于维持，一般在常见的约450伏工作电压下就是这种情况。
为了在电压峰值降低到工作电压之后也熄灭电弧，已经采用如下开关元件，其具有带有呈空心柱状的断开区的接触管，其中该空心柱沿着其横截面完全开裂、熔化或断裂以便电路断开，并以机械方式使空心柱的两端相互远离。为了空心柱体的开裂或断开，此时通常采用可激活的驱动件，其位于空心柱体的空腔内。然而能确定的是，由于可激活的驱动件的点燃或由于出现电弧和与之相关的由周围灭弧介质气化造成的压力形成，通常会将断开区的相对较大的部分撕裂，然后在断路开关元件的其余部分中由于还存在不期望的两个电压导通区的桥接而可能触发短路。
发明内容
鉴于该现有技术，本发明基于如下任务，提供一种尤其用于断开高电压下的大直流电流的断路开关元件，此时在从导通位置过渡至断开位置时尽量不会在内部释放出或者只释放出少量的(如果有)仅有微弱传导作用的可能引起短路的碎片。
根据本发明的断路开关元件可以从导通位置转入断开位置。如果根据本发明的断路开关元件被集成到一个电路中，则该电路在导通位置处闭合。在断开位置处，电路被中断。根据本发明的断路开关元件具有壳体，该壳体包围限定流过断路开关元件的电流路径的接触单元，即该接触单元被壳体包围。该接触单元具有第一和第二连接触点和断开区。该接触单元被设计成，使得它经由第一连接触点可接受电流并经由第二连接触点可自此输出电流，或反之。该断开区被设计成管状件，其轴向延伸方向沿着轴线X延伸，其中该管状件沿着一个垂直于轴线X的平面可被分为两个部分，由此，在第一连接触点与第二连接触点之间的电流被中断。该管状件沿着轴线X的延伸方向具有两个对置的端部。
根据本发明的断路开关元件的特征在于，该管状件在端部之间的区域内具有最小壁厚，最小壁厚分别朝向端部增大，其中优选管状件的如下区域被排除在外，在该区域横截面在径向上朝向端部增大(以下称为“径向延伸的横截面过渡区”)。换言之，管状件在端部之间具有一个壁厚缩小区域，尤其是并非仅在端部之间，而是也在径向延伸的横截面过渡部之间的区域内具有一个壁厚缩小区域。即，管状件优选在邻近各自端部的径向延伸的横截面过渡部之间的区域中具有最小壁厚，最小壁厚分别朝向横截面过渡部逐渐增大。
由于壁厚增大，不同于壁厚保持不变时的情况，在从导通位置过渡至断开位置时可以最大程度避免断开区部分的开裂，从而在断路开关元件内没有较大的用于电连接不希望的区域的导电部分。在根据本发明的断路开关元件内出现内部短路的危险可通过这种方式被降至最低或甚至完全防止。
由此没有相当大的部分从管状连接件上撕裂开，而是材料在断开位置朝向较大壁厚或端部近似卷曲或卷起，因此其在分离之后也留在管状件端部上。
该管状件优选具有环形闭合的横截面，其优选垂直于轴向延伸方向(轴线X)。该横截面可以具有任何形状，例如圆环形、椭圆形、带有或不带一个或多个角的任何环形、三角形、四角形、五角形、六角形或多角形，其中优选圆环形横截面。
壁厚增大在管状件轴向延伸方向上可以是连续的也可以是断续的，即例如呈阶梯状，在这里优选连续递增。连续递增可以线性地或渐进地进行。本发明优选的是，壁厚朝向管状件端部分别呈锥形增大。还优选的是，该管状件被设计成，使得它在垂直于轴线X的任何平面内具有形状相同的横截面。此外，壁厚在两个方向上增大至管状件端部的横截面可以是不同的或相同的，即以镜像对称方式延伸，在这里，镜面在最小壁厚区中垂直于轴线X布置。本发明优选在两个方向上镜像对称增大，因为这样避免裂开部分的作用会很大。也优选的是，横截面过渡部沿径向延伸直至管状件各自端部，即具有规定的半径，以避免在此出现过高的缺口应力，其可能不希望地在该部位折断或断开所述管状件，尤其是在组件或连接件的机械载荷或振动载荷下。
管状件的最小壁厚区可以被设计成壁厚不变区。此时优选的是，从最小壁厚区至壁厚增大区的横截面过渡部在径向上延伸，即具有规定的半径。在一个实施方式中，这种壁厚不变区也可以被省掉，即在最小壁厚区内多个壁厚增大区前后相接，也优选具有径向延伸的横截面过渡部。
该管状件的两个对置端部优选分别过渡为凸缘，凸缘朝向壳体且垂直于轴线X延伸。
在一个设计中，本发明的断路开关元件具有至少一个腔室，其至少部分由断开区界定。所述至少一个腔室优选填充有灭火剂，从而该断开区接触灭火剂。所述至少一个腔室优选处于断开区的管状件的空腔中，即被断开区包围。另外，根据本发明的断路开关元件可以具有另一个腔室，其邻接断开区的管状件的外侧区域。换言之，管状件将所述至少一个腔室与另一个腔室定界分开。所述另一个腔室在其外周优选由断路开关元件的壳体界定。所述另一个腔室也优选填充有灭火剂。
然而，也可以省掉对该管状件的空腔的填充，在此情况下，仅给在管状连接件外另一个腔室填充灭火剂。但在结合非常小的电路电感来断开非常小的电流的情况下，也可以完全省掉灭火剂，在这种情况下，周围空气于是就足以用于断开过程。
灭火剂可以是固体的、粉末状的或流态的介质。灭火剂优选是可蒸发的或可气化的介质(如硼酸，粉末在电弧作用下从粉末相转变为气体，在此它吸收能量且因此耗尽电弧)。灭火剂优选是流态介质，其在达到沸点或气化温度时完全或部分转入气态。同时优选的是该灭火剂也具有良好电绝缘性能，以便电弧在该断开区的两个分开部分相隔足够远之后可被熄灭，随后在分开的触点之间实现针对在此随后不希望有的电流流动的充分隔绝。灭火剂优选是具有或没有稠化剂例如硅油的油，或者是具有尽量少的碳原子量或还更好没有碳原子量的硅烷或聚硅氧烷例如己硅烷或戊硅烷。
在一个设计中，根据本发明的断路开关元件具有推进反射器，其可从初始位置运动到最终位置，在这里，在推进反射器的最终位置中获得在第一和第二连接触点之间的绝缘距离。推进反射器具有以下任务，使断开区的两个分离部分相互分开，做法是它通过施加压力执行机械运动，该机械运动使分断开的断开区的一部分远离分断开的断开区的另一部分。这样，在断开区的两个分离的部分之间建立安全距离。
根据本发明的断路开关元件的触发、即从导通位置到断开位置的过渡过程的触发能以被动方式或主动方式实现。
如果要主动实现根据本发明的断路开关元件的触发，则优选的是该断路开关元件包含可激活材料。优选如此布置该可激活材料，使得在烟火材料点燃时，断开区承受由该可激活材料产生的气压或冲击波，从而使断开区被撕开、压断或断开。在此该推进反射器优选被设计成，使得其在可激活材料点燃时承受由此产生的气压或冲击波，使得推进反射器在壳体内在一个运动方向上从初始位置运动到最终位置，同时使该断开区被撕开、压断或断开。
可激活材料可以是烟火材料，其起到引爆作用或爆燃作用。烟火材料存在于根据本发明的断路开关元件中，优选存在于所谓的微型雷管或者引火剂或饼状点火器中，但也可以以其它形式被装入。
如果根据本发明的断路开关元件的触发应该被动地实现、即不需要可激活材料来初次断开断开区，则优选的是，如此设计所述断开区、推进反射器和灭火剂，使得断开区可以通过供应电流在超出阈电流强度时因在连接件材料的熔点处或超过熔点地变热而被分断为至少两个部分，其中在断开区的两个部分之间出现的电弧使灭火剂气化，从而产生施加于推进反射器的气压，此时该推进反射器又在一个运动方向上从初始位置运动到最终位置。
另外，该断开区也可以具有一个或更多个理论断裂点，其能以缩窄部、切口、槽或孔的形式存在。理论断裂点优选以穿过断开区的管状件的壁的孔的形式存在。这样，该孔将该至少一个腔室与另一个腔室连通。通过这种方式，在制造本发明的断路开关元件时很容易将灭火剂填充入所述管状件内的至少一个腔室中。
根据本发明的一个设计，接触单元可以具有镦压区。镦压区可以被设计成包围另外一个腔室。如此设计该镦压区，使得它在断开区的断开过程中被镦压。优选的是，镦压区的材料是可良好变形的且或许还被软化退火的材料，以便改善镦压区的弯折性能。镦压区可以就材料和形状而言如此设计，即镦压区的壁因为镦压运动而弯折，优选呈蜿蜒状弯折。
在本发明的一个设计中，可以如此设计镦压区，使得它在推进反射器从初始位置运动到最终位置时被镦压，在这里，镦压区优选被设计成管状件或杆状件，其轴向延伸方向沿着轴线X延伸，在这里，管状件或杆状件可以在其横截面直径中具有一个或更多个缩窄部，其中该横截面直径垂直于轴线X来限定。即，镦压区可以与连接件的断开区一样以管状件形式存在。就断开区的管状件而言的所有优选实施方式也适用于镦压区的管状件。但镦压区也可以被设计成杆状件，其外表面原则上可以与其被设计成管状件时完全一样地延伸。换言之，杆状件可以关于其横截面直径具有多个缩窄部。通过所述壁厚或直径在镦压区的X轴线方向上的线性变化或阶梯状变化，可以防止伴随相应的破碎作用的材料过猛烈地开裂。通过这种方式，可以避免出现碎片。通过一个或多个缩窄部，不同于横截面沿着轴线X保持不变的情况，在从导通位置过渡至断开位置时可以绝大程度上避免镦压区碎片撕裂开，从而不会使断路开关元件的已分开的触点相对于壳体导电接触，进而不会在开关内出现短路。
这尤其在使用如下这样的用于连接件的材料时是有利的或有重大意义的，所述材料延展性并非如通常在此所用的E铜那样好。例如，为了作为用于连接件的材料加工铝而必须采用硬铝，其在弯折过程中将会马上破碎成许多小碎片，即便是在连接件在其制造后软化退火之后也会这样。
因此，镦压区内横截面的所示变化被选择成使镦压区的长度L可变长或可被利用上，直到该镦压区由于压力载荷不是被镦压而是被压弯，这在此是完全不希望的：
根据第四欧拉纵弯状况(纵弯杆两端被夹紧且对杆施加压载荷)，在此关于Fkrit＝4*pi2/L2*E*I计算临界纵弯载荷，此时的夹紧长度为L、杆材的弹性模量为E且杆横截面的轴向平面惯性矩为I。当达到临界纵弯载荷时，所述杆在此居中弯曲，如果是空心体则鼓凸，这在此是完全不希望有的并且应被可靠避免，因为分断开关的触点借此会短路至壳体且会绕过绝缘件。
另一方面，期望有尽量大的镦压长度L，以便能将输入到组件/分断开关中的尽量多的能量塑性变换。
通过该镦压区内的所示横截面变化，大致将可供使用的镦压长度L分为多个较小的镦压段，其镦压区然后通过该横截面变化来预先确定。
按照意义，上述过程适用于所有的镦压体，无论是否其横截面是否被完全充满(在此仅出现纵弯)或是否存在类似管的镦压件(在此可以出现纵弯和鼓凸)。
根据本发明的一个设计，镦压区的另外的腔室也可以完全充满灭火剂。此时优选的是，在另外的腔室与至少一个腔室之间存在呈通道形式的连通机构。通过推进反射器的运动和/或镦压区的镦压过程，所述另外的腔室的体积被如此缩小，即，使得灭火剂通过该通道被喷入断开区的至少两个部分之间。由此，该灭火剂可以在镦压过程中从其它的腔室经由该通道被压入所述至少一个腔室中并且禁止或者说进一步有效冷却或许还出现在断开区处的电弧。同时，在所述至少一个腔室内或许已部分分解的灭火剂通过新流入的灭火剂被稀释，因此也改善了灭火剂绝缘性能。在本发明的这个设计中也可能优选的是，仅一个腔室且还有所述另一个腔室以及相连的通道填充有灭火剂。在此可能优选的是所述另一个腔室未填充有灭火剂。
本发明的其它设计也来自从属权利要求。本发明断路开关元件的在前述实施方式中说明的特征只要没有相互排斥就可以根据本发明相互组合。
附图说明
以下结合如图所示的实施方式来详述本发明。所有单独在附图中描述的特征只要在技术上可实现就也可彼此独立地被用在本发明的断路开关元件中。
图1示出了在断开区断开前(导通位置)的根据本发明的断路开关元件的示意图，断开区以具有变化的壁厚的管状件形式存在。
图2a和图2b示出了在断开区区域内的根据本发明的断路开关元件的接触单元的局部。
图3a和图3b示出了在镦压区区域内的根据本发明的断路开关元件的接触单元的局部。
附图标记列表
1 断路开关元件 13 镦压区上的凸缘用于通过推进反射器施加压力
2 壳体 14 镦压区上的凸缘
3 接触单元 15 断开区上的凸缘
4 第一连接触点 17 镦压区上的凸缘
5 第二连接触点 d 孔的直径
6 断开区 L 镦压区在轴线X方向上的延伸长度
7 腔室 L2 镦压区在轴线X方向上的延伸长度
8 另一个腔室 R1-R5 横截面过渡区的半径
9 推进反射器 s 最小壁厚区的厚度
10 可激活材料 T 在镦压区内的具有最小壁厚的柱形区的长度
12 镦压区 w1-w4 壁厚线性递增的角度
X 轴线X z 在断开区内的具有最小壁厚的柱形区的长度
具体实施方式
根据本发明的断路开关元件1的如图1所示的实施方式包括壳体2，在该壳体内设置有接触单元3。壳体2被设计成使得它能经受住在壳体2内产生的压力(该压力例如在断路开关元件1的烟火触发时产生)，而不存在损伤或甚至开裂的危险。壳体2尤其可以由合适的材料(优选是钢)构成。接触单元3在所示实施例中被设计成可通过镦压区12内的推进反射器9被压迫的开关管的形式，从而它在断开区6和镦压区12内呈管状。接触单元3在所示实施例中具有第一连接触点4。径向向外延伸的凸缘与第一连接触点4相接，该凸缘如此支承在由绝缘材料例如塑料构成的环形绝缘件上，使得接触单元3无法沿轴向移出壳体2。接触单元3具有在接触单元3的轴线上与凸缘相接的镦压区12。接触单元的壁厚在具有预定的轴向伸展尺寸的镦压区12内如此选择和匹配于所述材料，使得在断路开关元件1触发时因为接触单元3在镦压区12内的塑性变形而出现镦压区12在轴向上被缩短了预定的路程。
在接触单元3的轴向上，凸缘13与镦压区12相接，推进反射器9在所示实施例中安放在该凸缘上。推进反射器9被设计为电绝缘件，例如由合适的塑料(优选是陶瓷材料)构成。其如此包围接触单元3，使得推进反射器9的绝缘区插入到凸缘13的外周面与壳体2的内壁之间。如果有压力作用于推进反射器9的表面，则产生通过凸缘13镦压接触单元3的镦压区12的力。该力被选择成，使得在断路开关元件1的触发过程中出现镦压区12的镦压，此时，推进反射器9从其初始位置(断路开关元件1触发前的状态＝导通位置)运动到最终位置(在切换过程结束后＝断开位置)。
如图1所示，可以如此选择推进反射器9，使得其外径基本对应于壳体2的内径，从而在切换过程中获得凸缘13的轴向引导以及进而还有轴向引导的镦压运动。
在压迫过程后，所述绝缘件和推进反射器9的靠近壳体2的凸起完全交错，从而在触发和镦压过程后呈蜿蜒状收合的镦压区12完全被电绝缘材料包围。
断开区6与接触单元3的推进反射器9或凸缘13相接。随后在接触单元3侧接有第二连接触点5。
在所示实施例中，推进反射器9在断路开关元件1安装时从连接触点5侧被套装到接触单元3上。第二连接触点5为此被分开(未示出)。如果第二连接触点5未被分开或者说它如图所示与接触单元3一样是一体的，则推进反射器9必须被喷注或以多件形式构成，以便能实现其安装。
在第二连接触点5区域中在接触单元3的轴向端内，可设置可激活材料10，在这里经常也安装在微型雷管或点火螺丝(驱动件)中。通过在接触单元3的内腔中的缺口，用于驱动件的电连接导线可以被朝外引出。该驱动件优选设置在断开区6的管状件内的一个腔室7中。另一个腔室8处于断开区6的外壁与壳体2之间。
如此设定断开区6的尺寸，使得它通过驱动件所产生的气压或所产生的冲击波至少部分开裂，但最好完全断裂，从而所述压力或冲击波也可以从腔室7传播到优选被设计为周围环形腔的外腔室8。腔室7、8通过这种方式彼此连通成一个体积。也可以如此产生接触单元3的镦压所需要的内压力，使得在规定的阈电流强度的情况下该断开区6熔化并在其间形成电弧，该电弧使位于腔室7和/或腔室8内的灭火剂气化。为了使开裂变得容易，接触单元3的壁可以在断开区6内还具有一个或更多个缺口或孔和/或槽(图1未示出)。在此情况下要保证断开区6的材料良好断开工作电流，即考虑到散热的情况下不应太热，以便所述材料不会太快速或太强烈地老化。
即，在断路开关元件1激活时，在推进反射器9的背对镦压区12的一侧产生压力或甚至冲击波，由此，推进反射器9承受相应的轴向力。通过适当设定可激活材料10的尺寸来选择该轴向力，使得接触单元3在镦压区12内被塑性变形或压入，但未开裂，随后推进反射器9向第一连接触点4运动。在此如此设定可激活材料10的尺寸，使得在断开区6断开或受压之后，推进反射器9的运动使两个分离半体离开足够远，然后与灭火剂气化合作地甚至到达最终位置。
即，紧接在可激活材料10的激活之后，使断开区6至少部分开裂或受压，优选是完全断裂。如果开裂或受压并没有在推进反射器9开始轴向运动前在断开区6的整个范围进行，则断开区6的尚造成电接触的残留余部因推进反射器9的轴向运动而完全裂开，这通过随即出现的仅很小的导体剩余横截面因流过的高电流而很快速地变热被加强。
根据图1的断路开关元件1具有原则上与DE102017123021A1中图1所示的断路开关元件完全一样的结构，根据本发明的断路开关元件的区别在于，断开区6不是具有持续相同的壁厚的管状件，而是该管状件在凸缘侧端部之间的一区域内具有最小壁厚，该最小壁厚分别朝着凸缘侧端部逐渐增大。在图1中，壁厚基本呈线性递增，壁厚在此增大的两个区域被设计成相互镜像对称，就像例如也在图2b中示出的那样。
图2a和图2b示出了接触单元3的局部区域，断开区和与之相接的凸缘14、15位于此局部区域中。长度L是断开区在轴线X方向上的延伸尺寸。断开区具有一个最小壁厚区，其在凸缘侧端部的方向上即朝向端部14、15分别逐渐增大。半径R1、R2是在断开区和相接的凸缘14、15之间的横截面过渡区的半径。图2b中的半径R3是在最小壁厚区至壁厚增大区之间的横截面过渡区的半径。同样的情况适用于图2a中的半径R4、R5。如图2a所示，最小壁厚区也可以在一段长度z内呈柱形并且随后才过渡至壁厚增大区。而图2b示出了一个实施方式，在此不存在柱形区。图2a中的厚度s表示在柱形区内的最小壁厚。如图2a所示，角度w3和w4可以是不同的，即，朝向断开区的两个凸缘侧端的壁厚增大不一定在两侧是一样的。壁厚增大也可以在断开区的两个凸缘侧端方向上同样进行，就像图2b所示的那样。在此，角度w1和w2因此是一样大的。图2a示出了作为断开区内的理论断裂点11的具有直径d的孔。
图3a和图3b示出了接触单元3的局部区域，镦压区12和与之相接的凸缘13和17存在于该局部区域中。长度L2是镦压区在轴线X方向上的延伸尺寸。镦压区具有最小壁厚区，其朝向凸缘侧端部即朝向凸缘13、17分别增大。半径R1、R2是镦压区和相接的凸缘之间的横截面过渡区的半径。图3中的半径R3是从最小壁厚区至壁厚增大区的横截面过渡区的半径。如图3b所示，最小壁厚区也可以在一段长度t上呈柱形并且随后才过渡至壁厚增大区或壁厚减小区。而图3a示出的实施方式不存在柱形区。厚度s还是表明在柱形区内的最小壁厚。如图3所示，角度w3和w4也还可以是不同的(在此未表示)，即朝向镦压区的两个凸缘侧端的壁厚增大不一定在两侧是一样的。壁厚增大也可以朝向镦压区的两个凸缘侧端同样地进行，如图3所示。在此，角度w1和w2因此是一样大的。